Самоорганизация биологических структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Понятие самоорганизации

Самоорганизация - это процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Процессы самоорганизации могут иметь место только в системах, обладающих высоким уровнем сложности и большим количеством элементов, связи между которыми имеют не жесткий, а вероятностный характер. Основные свойства самоорганизующих систем - открытость, нелинейность, диссипативность. Теория самоорганизации имеет дело с открытыми нелинейными диссипативными системами, далекими от равновесия.

Свойства самоорганизации обнаруживают объекты самой различной природы: живая клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив и т.д. Процессы самоорганизации осуществляются за счет перестройки существующих и образования новых связей между элементами системы. Отличительная особенность процессов самоорганизации - их целенаправленный, но вместе с тем и естественный, спонтанный характер: эти процессы протекают при взаимодействии системы с окружающей средой, в той или иной мере автономны и относительно независимы от нее.

2. Самоорганизация систем

В последние десятилетия развивается представление о том, что материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию все более сложных и упорядоченных систем разного уровня. Представление о разрушительной тенденции материи сформировалось в результате развития двух отраслей классической физики - статистической механики и термодинамики, - которые описывают поведение изолированных (замкнутых) систем, т.е. систем не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. При этом особая роль принадлежит второму началу термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразования энергии в замкнутой системе. Такие процессы рано или поздно приводят систему к ее самому простому состоянию - термодинамическому равновесию, которое эквивалентно хаосу, когда отсутствует какая-либо упорядоченность и все виды энергии переходят в тепловую, в среднем равномерно распределенную между всеми элементами системы. В прошлом обсуждалась возможность приложения второго начала термодинамики ко Вселенной, которая полагалась замкнутой системой. Из этого следовал вывод о деградации Вселенной - ее тепловой смерти.

Известно, что все реальные системы, от самых малых до самых больших, являются открытыми, т.е. они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В таких системах возможно образование нарастающей упорядоченности. На данной основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем

В последние десятилетия исследования процессов самоорганизации производятся в трех направлениях: синергетика, термодинамика неравновесных процессов и математическая теория катастроф.

Синергетика изучает связи между элементами (подсистемами) структуры, которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и др.) благодаря интенсивному обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень упорядоченности, т.е. уменьшается энтропия. Основа синергетики - термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн. Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять трем условиям: открытость, существенная неравновесность и скачкообразный выход из критического состояния.

Открытость означает незамкнутость системы, для которой возможен обмен энергией и веществом с окружающей средой. Существенная неравновесность приводит к критическому состоянию, сопровождающемуся потерей устойчивости. В результате скачкообразного выхода из критического состояния образуется качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности. Примером самоорганизующейся системы может служить оптический квантовый генератор - лазер. При его работе соблюдаются три перечисленные условия: открытость системы, снабжаемой извне энергией, ее сугубая неравновесность, достижение критического уровня накачки, при котором возникает упорядоченное, монохроматическое излучение.

«Повсюду, куда ни посмотри, обнаруживается эволюция, разнообразие форм и неустойчивости. Интересно отметить что такая картина наблюдается на всех уровнях - в области элементарных частиц, в биологии, в астрофизике», - так считает один из основоположников термодинамики неравновесных процессов, лауреат Нобелевской премии 1977 г. бельгийский физик и физикохимик И.Л. Пригожий (р. 1917).

Самоорганизация включает случайное и закономерное в развитии любых систем, в котором можно выделить две фазы: плавную эволюцию, ход которой достаточно закономерен и детерминирован, и скачок в точке бифуркации, протекающий случайно и поэтому случайно определяющий последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в точке бифуркации. Прямое отношение к концепции самоорганизации имеет математическая теория катастроф, описывающая различные скачкообразные переходы, спонтанные качественные изменения и т.п. В теории катастроф применяется довольно сложный математический аппарат - топологическая теория динамических систем.

3. Типы процессов самоорганизации

Различают три типа процессов самоорганизации:

процессы самозарождения организации, т.е. возникновение из некоторой совокупности целостных объектов определенного уровня новой целостной системы со своими специфическими закономерностями (например, генезис многоклеточных организмов из одноклеточных);

процессы, благодаря которым система поддерживает определенный уровень организации при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования (здесь исследуются главным образом гомеостатические механизмы, в частности, механизмы, действующие по принципу отрицательной обратной связи);

процессы, связанные с совершенствованием и саморазвитием таких систем, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт.

Специальное исследование проблем самоорганизации впервые было начато в кибернетике. Термин «самоорганизующая система» ввел английский кибернетик У.Р. Эшби в 1947 г. Широкое изучение самоорганизации началось в конце 50-х гг. XX в. в целях отыскания новых принципов построения технических устройств, способных моделировать различные стороны интеллектуальной деятельности человека. Исследование проблем самоорганизации стало одним из основных путей проникновения идей и методов кибернетики, теории информации, теории систем, биологического и системного познания.

Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем мир закрытых, линейных систем. Вместе с тем «нелинейный мир» сложнее моделировать. Как правило, для приближенного решения большинства возникающих нелинейных уравнений требуется сочетание современных аналитических методов с вычислительными экспериментами. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.д.

Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики - существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций. Такие закономерности существуют. Это открытость, нелинейность, диссипативность.

4. Самоорганизация сложных систем

Характерной особенностью развивающихся систем является их способность к самоорганизации, которая проявляется в самосогласованном функционировании системы за счет внутренних связей с внешней средой. Рассматривая развитие как процесс самоорганизации системы, выделим в нем две основные фазы: адаптацию, или эволюционное развитие и отбор. Самоорганизующиеся системы обладают механизмом непрерывной приспособляемости (адаптации) к меняющимся внутренним и внешним условиям, непрерывного совершенствования поведения с учетом прошлого опыта. При исследовании процессов самоорганизации будем исходить из предположения, что в развивающихся системах структура и функция тесно взаимосвязаны. Система преобразует свою структуру для того, чтобы выполнить заданные функции в условиях меняющейся внешней среды.

Адаптация системы к меняющимся условиям происходит благодаря появлению элементов, обладающих необходимыми для функционирования системы свойствами, причем благодаря не просто появлению таких элементов (имеется в виду не только появление новых элементов, но и возникновение у «старых» элементов новых признаков), а избыточности таких элементов-признаков. Увеличение числа сходных элементов лежит в основе прогрессивного развития систем, так как является предпосылкой для дальнейшего отбора элементов, дифференциации и интеграции структур. Вместе с тем увеличение числа сходных элементов - простейшее средство для увеличения надежности воспроизведения, для интенсификации функций и расширения связей с внешней средой. Периоду адаптации (устойчивости системы) соответствует постоянное накопление приспособительных признаков широкого значения, нарастание универсализма системы. В результате флуктуаций в системе возникают регулирующие сигналы, которые изменяют, приспосабливают структуру системы так, чтобы система продолжала функционировать необходимым образом.

Период адаптации - это период эволюционных преобразований, которые связаны лишь с количественными изменениями в системе. Структурная устойчивость при этом не нарушается. Понятие структурной устойчивости играет важную роль в теории самоорганизации.

Процесс эволюции - это результат взаимодействия системы с внешней средой, поэтому при исследовании этого процесса необходимо рассматривать процесс система-внешняя среда.

Значение внешних и внутренних факторов в органической эволюции Шмальгаузен выявляет, объясняя эволюционный процесс как процесс направленный: «Биогеоценоз выступает по отношению ко всем составляющим его популяциям видов как управляющее устройство. Контроль и регуляция взаимозависимостей популяций разных видов друг с другом и с неживыми компонентами биогеоценоза совершаются через отбор или дифференциальное участие особей в воспроизведении следующего поколения. Гибель, полное или частичное устранение от размножения всех, кто не может выполнять биогеохимическую функцию, поддерживает устойчивость процессов циркуляции вещества и энергии в биогеоценозе и вместе с тем обеспечивает эволюцию отдельных видов. Эволюция является побочным, но неизбежным результатом поддержания устойчивости системы высшего по отношению к организму ранга. Отбор, осуществляя контроль и регуляцию, т.е. поддерживая стационарное состояние биогеоценоза, тем самым становится движущим фактором эволюции вида и обеспечивает не просто изменение вида как системы, которое могло бы привести ее к разрушению, а переход системы из одного гармонического (устойчивого по принципу регулирования) состояния в другое гармоническое состояние».

Множественное регулирование по принципу обратной связи, или самонастройка развивающего организма, лежит в основе поддержания устойчивого состояния, обеспечивает сохранение устойчивости процесса развития при нерегулярно меняющихся внешних условиях, обеспечивает надежность достижения результата развития в регулярно меняющихся условиях среды. Самонастройка составляет основу приспособленности организма к среде и взаимного приспособления органов друг к другу. Но она же составляет и основу приспособляемости, правда, на другом - надорганизменном уровне организации жизни.

Действие регуляторного механизма развития системы проявляется на различных уровнях ее организации и зависит от реакции на изменение внешних факторов, от форм взаимодействия системы с факторами внешней среды. В зависимости от уровня структуризации системы взаимозависимость с внешними факторами проявляется в различных формах, так как относится к разным уровням организации системы и различным процессам. В роли регулятора выступает внешняя среда, включающая рассматриваемую систему. Внешняя среда должна быть связана с развивающейся системой двумя линиями связи - прямой линией передачи управляющих сигналов от внешней среды к системе и линией обратной связи, передающей во внешнюю среду информацию о действительном состоянии системы. В процессе своего функционировании система передает во внешнюю среду информацию о количественном составе соответствующих элементов-признаков, об их распределении. Во внешней среде происходит преобразование этой информации (контроль и отбор наиболее ценной информации). Отобранная информация накапливается во внешней среде и передается в систему путем появления соответствующих свойств (признаков) у элементов системы.

В биологических системах в роли регулятора выступает биогеоценоз. Популяция, входящая в состав данного биогеоценоза, связана с ним двумя каналами. Первый канал связи лежит на молекулярном уровне организации и служит для передачи наследственной информации от зиготы до первичных половых клеток зрелой особи. Второй канал связи лежит на уровне организации особи и служит для передачи обратной информации от фенотипов к биогеоценозу. Между этими двумя каналами «вставлены» механизмы преобразования, обеспечивающие связь между ними и замыкающие таким образом элементарный цикл эволюционных изменений.

Таким образом, осуществляется двусторонняя связь между внешней средой и включенной в ее состав системой. Однако между обеими линиями передачи нет непосредственной связи, так как они находятся на разных уровнях. Накопленная информация передается по прямому каналу на уровне признаков отдельных элементов, а обратная информация - только на уровне элементов и компонентов системы. Так как регулирующие механизмы развития системы связаны с внешней средой, то следует считаться с возможностью различных случайных внешних влияний, которые искажают передачу информации и нарушают нормальное течение преобразований.

Если биогеоценоз в целом играет роль регулятора эволюционного процесса, то он обязательно должен быть обеспечен «информацией» о состоянии популяции (по линии «обратной» связи), должен включать в себя специфический механизм преобразования этой информации в управляющие сигналы и средства передачи последних на популяцию. Таким образом, кроме механизма преобразования, необходимы каналы связи для передачи информации в двух направлениях - от популяции к биогеоценозу и от биогеоценоза к популяции. Так как изменение популяции, будучи элементарным эволюционным процессом, всегда сопровождается наследственным изменением ее особей, то управляющие сигналы от биогеоценоза к популяции должны каким-то образом включить возможность изменения ее наследственной структуры. Последнее может произойти только в процессе преобразования информации в самом биогеоценозе (т.е. в «регуляторе»). Так как первичные эволюционные изменения возможны только в популяции (или в поколениях особей, но не в отдельных особях), то наиболее простым изменением является хотя бы небольшое изменение в генетическом составе популяции, т.е. в соотношении числа особей с разной наследственной характеристикой (генотипов). Информация о таких изменениях популяции может быть сообщена через наследственный аппарат ее особей и передана особям следующего поколения при посредстве, например, половых клеток. Такой аппарат действительно имеется, и, несомненно, он полностью обеспечивает надежную связь популяции с регулирующим механизмом биогеоценоза и дальнейшую передачу информации от одного поколения особей к следующему. Имеются и средства передачи обратной информации от популяции к биогеоценозу. Популяция, несомненно, активно воздействует на биогеоценоз, хотя бы через потребление пищевых материалов и накопление продуктов своей жизнедеятельности. В известных условиях популяция может внести значительные изменения в строении биогеоценоза. Таким образом, имеются и каналы обратной связи.

Однако нет прямой связи между наследственной информацией по первому каналу (от биогеоценоза) и обратной информацией по второму каналу (от популяции к биогеоценозу). Здесь непосредственная связь как будто прерывается, так как обе линии связи находятся на разных уровнях. Наследственная информация передается на внутриклеточном (молекулярном) уровне организации, а обратная информация - только на уровне организации целой особи.

Переход от одной линии связи к другой совершается посредством довольно сложного механизма преобразования. Наследственная информация преобразуется в процессах индивидуального развития в средства передачи обратной информации, именно в фенотип особи, являющейся реальным носителем жизни и активным участником наступления на жизненные ресурсы биогеоценоза («борьбы за существование»). В биогеоценозе через естественный отбор и процессы размножения происходит новое преобразование этой информации в наследственную с переходом от уровня организации особи (в фенотипах) на уровень организации клетки (половые клетки, зиготы). Так замыкается полный круг преобразований в элементарном цикле эволюционного процесса.

Таким образом, можно еще раз сказать, что адаптация системы происходит за счет избыточности элементов-признаков, за счет накопления информации в системе о состоянии окружения. Избыточность обеспечивает селекцию, отбор наиболее оптимальных вариантов.

Причиной многообразия форм в популяции является, конечно, процесс мутирования. Стабилизирующая форма естественного отбора препятствует накоплению одинаковых мутаций, переводит наследственное многообразие особей в скрытое состояние и всегда поддерживает количество наследственной информации в популяции на довольно высоком уровне. На еще более высоком уровне поддерживается и количество обратной информации в фенотипах популяции. Следовательно, энтропия популяции остается высокой. Популяция - мало организованная биологическая система, и этот низкий уровень организации, т.е. некоторый беспорядок и неопределенность, поддерживается действием стабилизирующего отбора. Этим самым поддерживается высокая эволюционная пластичность популяции и вида в целом. В случае изменения соотношений между популяцией (видом) и внешней средой (биогеоценозом) нормальные особи теряют свою приспособленность. Стабилизирующий отбор в известных отношениях (по признакам, утратившим свое значение) прекращается, и это ведет к увеличению числа разнообразных мутаций. Резко увеличивается количество информации в отдельных особях, организация расшатывается. Однако некоторые мутации и их комбинации могут получить в новых условиях среды положительную оценку. Это ведет к свободному их накоплению под руководящим влиянием движущей формы естественного отбора.

Стабилизирующая форма отбора ведет, собственно, к двум разным, но одинаково важным результатам: к максимальной устойчивости особи и возможной мобильности, т.е. эволюционной пластичности популяции.

Стабилизирующая форма естественного отбора выступает в роли фактора, формирующего и поддерживающего надежное функционирование первого канала связи от зиготы к первичной половой клетке (путем клеточных делений) и безошибочное преобразование полученной таким образом информации в процессах индивидуального развития. Она ведет к созданию и максимальной стабилизации аппарата индивидуального развития и к нормализации популяции, ее особей и признаков.

Движущая (преобразующая) форма отбора выступает в роли фактора, формирующего и поддерживающего функцию второго канала связи от популяции к биогеоценозу. Она ведет к тем перестройкам в организации наследственного аппарата (в первом канале связи) и механизма индивидуального развития (в формах преобразования информации), которые способствуют возникновению новых адаптаций; к специализации, общему усложнению организации и увеличению активности отдельных особей, т.е. к изменению форм жизнедеятельности как средств связи по второму каналу. Преобразующий отбор использует в своей деятельности то, что достигнуто стабилизирующим отбором, - высокую наследственность тех уклонений от нормы, которые вызваны изменением генотипа.

Эмбриологические работы Шмальгаузена показали, что наиболее быстро эволюционируют те структуры, которые в процессе развития зародыша наиболее независимы от остальных частей организма.

Идея ускорения эволюции наиболее стабильных структур явилась высшей точкой синтеза идеи устойчивости и идеи эволюции.

Исследования Шмальгаузена показывают, что для развития системы нужны закрепленные признаки, появившиеся в результате адаптации к внешней среде, т.е. необходимо наличие в системе определенной формы памяти. Но одной наследственности для развития мало, нужен активный обмен с внешней средой, система должна быть открытой. Организационные формы не могут возникнуть без специально организованной памяти. Но наряду с «накопленным опытом» система должна обладать способностью к обучению.

Таким образом, Шмальгаузен связал один из факторов эволюции - изменчивость с процессами передачи, преобразования, накопления информации. При этом понятие «информация» связывается с числом элементов-признаков. На этапе адаптации важную роль играет избыточность информации.

самоорганизация материя адаптация популяция

Размещено на Allbest.ru